具有高耐磨性和低摩擦係數的結構工程滑動元件的製作方法

2023-10-06 06:56:29 1

專利名稱：具有高耐磨性和低摩擦係數的結構工程滑動元件的製作方法
技術領域：
根據權利要求l的前序部分，本發明提出一種用於在結構工程中使 用的具有高耐磨性和低摩擦係數的滑動元件。
具體地，本發明涉及一種高耐磨的滑動元件，用於在建築工業中 用作土建工程中的摩擦滑動元件，諸如橋梁支座、地震能量消散器以 及接頭。
背景技術：
為簡單起見，特別參照例如承受重負荷條件的橋梁支座，諸如用 於高速鐵路線段的橋梁或承受特別強烈的交通狀況的橋梁給出本說明 書，但是本發明不限於此。
公知上述類型的土建結構以允許結構部件之間有限的相對運動的 方式設計和建造。這使得該結構能適於不同的地震或其他載荷應力， 並限制結構內的最大應力值。這些運動一般包括在兩個或多個結構部 件之間的滑動或轉動，在結構中設置滑動或鉸鏈連接以實現這些運動。
這些連接通常包括一對能相對於彼此滑動/轉動的平面或曲面以 使得能夠發生這種相對位移和/或轉動。為將部件之間的靜摩擦和動摩 擦減到最小，這對表面的第一表面由鋼製成，諸如奧氏體鋼，而另一 表面有利地由工程聚合物製成，可在滑動表面之間使用諸如有機矽油 脂的潤滑劑。
要滿足的需求是接觸表面的至少一個由這樣的材料製成具有低 靜摩擦和動摩擦係數，以有利於部件之間的滑移、滑動和/或旋轉，同時滿足該特定應用的特殊技術要求。在這方面，在從-2(TC到+4(TC的溫 度範圍內，工程聚合物還應至少對壓縮負載和磨損具有高或長的耐久 性。
根據當前的應用標準，諸如歐洲標準EN 1337/2中的"滑動元件"， 在現有技術中普遍用於滑動元件的材料是PTFE (聚四氟乙烯)。
現在，對於此特定應用，認為強烈需要比PTFE具有更好性能的工 程聚合物。在各種材料中，已經提出了具有3Xl0、/mol到6Xl(^g/mo1 分子量的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。這樣的材料提供比PTFE更 好的結果，但仍不能滿足特別嚴格的要求。

發明內容
本發明基於如下問題構思一種在結構工程中使用的高耐磨滑動 元件，該滑動元件具有能夠滿足上述要求的結構和功能特徵，同時與 現有技術的滑動元件相比，顯著地提高滑動元件在各種使用條件下， 尤其是在特別重載狀態下的性能。
此問題通過根據權利要求l特徵的用於在結構工程中使用的高耐 磨滑動元件而得到解決。
在閱讀下文作為示例而非限定地給出的本發明幾個優選實施例的 描述後，本發明的用於在結構工程中使用的高耐磨滑動元件的其它特 徵和優點將是顯而易見的。
具體實施例方式
根據本發明，在結構工程中使用的高耐磨滑動元件包括至少一個 由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)製成的滑動表面。有利地，作為平 均檢測值，這種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量是至少6.5X 106 g/i加l。這種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量優選高於8X 106 g/mol，至少9XlC)6g/mo1，更優選從9.1 X 106 g/mol到9.6X 106 g/mol。
為提高這種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的結構或行為性能， 下文將對要加入到這種高分子量聚乙烯中的幾種添加劑和對於這種聚 乙烯的特殊處理進行論述。
有利地，上述的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括鋁粉或鋁化 合物以進一步提高滑動元件的滑動表面的耐磨性。
有利地，這種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括用於提高滑動 元件的滑動表面的抗蠕變性的添加劑。這些添加劑優選包括滑石和/或 硬脂酸鈣。
有利地，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括抗氧化劑，用於提 高滑動元件的滑動表面的抗氧化性。
有利地，這種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括熱穩定劑，用 於保持滑動元件的滑動表面在高溫下的機械性能，諸如韌度和強度。
有利地，上述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括含氟聚合物的 混合物，以進一步減小滑動元件的滑動表面的摩擦係數。這些含氟聚 合物的混合物優選具有60重量％的氟含量。
有利地，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)可在40 kGy以上至1000 kGy以下的高輻射劑量下通過y或0輻射進行交聯，隨後可進行穩定處 理，用於清除反應自由基，該穩定處理是一種優選在熔點之上的溫度 下進行的熱處理。有利地，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)可通過添加交聯劑和自 由基引發劑諸如過氧化物來進行交聯，隨後進行穩定處理，用於清除 反應自由基並降低氧化的可能性，該穩定處理通過優選在熔點之上的 溫度下進行的熱處理來實現。
具體地，通過輻射或自由基引發劑引發的交聯通過形成分子間的 鍵而增加了聚乙烯的分子量，這能夠改變聚合物的物理化學和機械性 能。這種交聯特別導致材料的耐磨性和機械穩定性提高(蠕變減少)。
對限制可發生在輻射交聯後的某些情形中的韌度和斷裂伸長率的 損失，化學交聯是更有效的。
在輻射交聯的情形中，有利地在輻射前的複合期間將穩定劑和/或 抗氧化劑加入聚合物中，以清除由Y輻射處理產生的自由基。
在上述輻射交聯處理之後，有利地，滑動元件經歷適於減少或消 除交聯聚乙烯中的自由基的熱處理，以長時間地提供抗氧化性並保持 機械性能。
具體說來，有利地，可將半成品或成品的滑動元件放在烘箱中並 在能導致聚乙烯結構軟化的溫度，例如從135t:至ijl5(TC的溫度下保持 超過一小時。通過此安排，儘管將影響某些機械性能，諸如韌度和斷 裂伸長率，但是自由基將幾乎被完全清除。
然而，有利地，可將半成品或成品的滑動元件在烘箱中並在該聚 乙烯的軟化點之下的溫度，例如從ll(TC到135t:的溫度下保持超過一 小時。這將減小上述機械性能(韌度和斷裂伸長率)的退化，同時顯 著地降低了滑動元件中的自由基含量。
作為僅僅的示例，在那些可商業購得的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中，適於此特定應用的超高分子量聚乙烯是由Rochling (勞士領)銷售的商品名為Polystone⑧X-SIide M的聚乙烯，該聚乙烯 具有如下性能
_具有9.2X 106 g/mol分子量的UHMWPE;
-添加有含氟聚合物以改進它的滑動行為並減小摩擦；
-添加有抗氧化劑以提高對氧氣的惰性和穩定性。
此外，Polystone X-SlideM聚乙烯的性能通過如上所述的交聯過
程和隨後的熱處理而得以改進。
實驗測試表明具有至少6.5X106 g/mol分子量的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)，在滑動元件的滑動表面上，導致如下性能的顯著提高 -滑動耐磨性，這能提供更高的滑動速度，以及 -高溫下的機械強度和韌度。
如上所述，如果期望特別高的耐磨性，則可對基材填充鋁微球和 粉末或鋁化合物。
為進一步提高UHMWPE材料的滑動和耐磨性，可在開始時利用有 機矽潤滑劑對滑動元件進行潤滑，並且滑動元件的滑動表面可具有多 個表面小室，用於即使在表面的相互滑動的情況下容納和保持潤滑劑。
滑動元件可以諸如滑道、蓋、帶和導軌的任何形態提供。
在本發明的高耐磨滑動元件中，由超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 製成的滑動表面
-具有高達190MPa的極限抗壓強度；
-當上述表面小室中容納有潤滑劑時，允許至少5X10"m的滑動長
度；
-當上述表面小室中容納有潤滑劑時，承受得住15mm/s的滑動速度；
-與PTFE相比，具有更低的摩擦係數；
-在從-5(TC至lJ+6(TC的溫度範圍內，對壓縮負載和磨損具有高或 長的耐久性；
-在溫度改變時具有基本恆定的熱膨脹係數，包括提高的尺寸穩 定性。
從上文中將理解的是，根據不發明的用於在結構工程中使用的高 耐磨滑動元件滿足上述需求，同時與現有技術的滑動元件相比，顯著 地提高了滑動元件在各種使用條件中的性能。
本領域的技術人員將明顯理解地是在不偏離如在下文的權利要求 中所限定的範圍的情況下，可對如前所述的用於在結構工程中使用的 高耐磨滑動元件作出許多改變和變化。
權利要求
1. 一種用於在結構工程中使用的高耐磨滑動元件，包括至少一個由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)製成的滑動表面，其特徵在於所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量是至少6.5×106g/mol。
2. 根據權利要求l所述的高耐磨滑動元件，其中所述超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)的分子量大於8X106g/mol。
3. 根據權利要求2所述的高耐磨滑動元件，其中所述超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)的分子量是至少9X106g/mol。
4. 根據權利要求3所述的高耐磨滑動元件，其中所述超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)的分子量為從9.1Xl6g/mol到9.6X106g/mol。
5. 根據權利要求1到4的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中所 述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括鋁粉或鋁化合物。
6. 根據權利要求1到5的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中所 述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括用於提高所述滑動表面的抗蠕 變性的添加劑。
7. 根據權利要求6所述的高耐磨滑動元件，其中用於提高抗蠕變 性的所述添加劑包括滑石。
8. 根據權利要求6或7所述的高耐磨滑動元件，其中用於提高抗 蠕變性的所述添加劑包括硬脂酸鈣。
9. 根據權利要求1到8的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中所 述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括抗氧化劑，用於提高滑動元件的滑動表面的抗氧化性。
10. 根據權利要求1到9的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括熱穩定劑，用於保持所述滑 動表面在高溫下的機械性能，諸如韌度和強度。
11. 根據權利要求1到4的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中 所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括含氟聚合物的混合物，以進 一步減小所述滑動表面中的靜摩擦係數和動摩擦係數。
12. 根據權利要求11所述的高耐磨滑動元件，其中所述混合物的 所述含氟聚合物具有60重量％的氟含量。
13. 根據權利要求1到12的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中 所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)被交聯。
14. 根據權利要求13所述的高耐磨滑動元件，其中所述超高分子 量聚乙烯(UHMWPE)通過劑量為從40 kGy到1000 kGy的Y或3輻射而交聯。
15. 根據權利要求13所述的高耐磨滑動元件，其中所述超高分子 量聚乙烯(UHMWPE)通過過氧化物而交聯。
16. 根據權利要求13到15的任一項所述的高耐磨滑動元件，其 中所述聚乙烯在能使聚乙烯結構軟化的溫度下經歷超過一小時的熱處 理，用於清除自由基。
17. 根據權利要求16所述的高耐磨滑動元件，其中所述溫度在135 t到15(TC的範圍內。
18. 根據權利要求13到15的任一項所述的高耐磨滑動元件，其 中所述聚乙烯在該聚乙烯結構的軟化點之下的溫度下經歷熱處理，用於減少自由基含量。
19. 根據權利要求18所述的高耐磨滑動元件，其中所述溫度在110 。C到135。C的範圍內。
20. 根據權利要求1到19的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中 所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有至少190MPa的抗壓強度。
21. 根據權利要求1到20的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中 所述滑動表面允許至少5Xl(^m的滑動長度。
22. 根據權利要求1到21的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中 所述滑動表面承受得住15 mm/s的滑動速度。
23. 根據權利要求1到22的任一項所述的高耐磨滑動元件，其中 所述滑動表面具有多個容納潤滑劑的表面小室。
全文摘要
一種用於在結構工程中使用的高耐磨滑動元件，包括至少一個由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)製成的滑動表面。有利地，這種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量高於6.5×106g/mol。
文檔編號E01D19/04GK101421462SQ200780013138
公開日2009年4月29日 申請日期2007年3月12日 優先權日2006年4月12日
發明者卡洛·波吉, 夏洛特·塔韋基奧, 維爾吉尼奧·誇利尼, 羅伯託·基耶薩, 阿戈蒂諾·馬裡奧尼 申請人:米蘭綜合工科大學